JP7207216B2

JP7207216B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP7207216B2
Application number: JP2019136160A
Authority: JP
Inventors: 英文森; 潤也鈴木; 和貴岡崎
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2039-07-24
Also published as: US20210028470A1; CN112310447B; JP2021022425A; CN112310447A; US11217800B2; EP3771008B1; EP3771008A1

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

下記特許文献１に開示された燃料電池システムは、燃料電池（スタック）と、燃料電池の排出側に配置された三方弁と、三方弁を介して燃料電池の排出側に接続されたタービン（エキスパンダ）とを備える。燃料電池の発電時、カソード排ガスがタービンに供給されるように三方弁は制御される。燃料電池の掃気時、掃気ガスがタービンを迂回する（バイパスする）ように三方弁は制御される。

特開２０１２－１６９０３９号公報

タービンの上流側に配置された三方弁等のタービンバイパス弁は、カソード排ガス等がタービンに供給されるように、または、カソード排ガス等がタービンに供給されずに迂回するように動作する。特許文献１に開示された三方弁は、掃気を行なうか否かに応じて動作する。

燃料電池システムにおいては、燃料電池に対する出力要求値に応じて燃料電池内の目標圧力値が定められる。従来の燃料電池システムは、この目標圧力値に向けて燃料電池内の圧力を増減させる際に、タービンにおけるより高い動力回収効率を得ることを意図してタービンバイパス弁などの動作を制御していない。目標圧力値に向けて燃料電池内の圧力を増減させる際にタービンにおけるより高い動力回収効率を得るという点で、従来の燃料電池システムには改善の余地が存在している。

本開示は、燃料電池の調圧機能を確保しつつタービンにおける動力回収効率を従来に比して向上させやすくすることが可能な構成を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

本開示に基づく燃料電池システムは、燃料電池と、上記燃料電池にカソードガスを供給する供給流路と、上記燃料電池からカソード排ガスを排出する排出流路と、上記排出流路からのカソード排ガスが供給されて動力を生成するタービンと、上記排出流路における上記燃料電池と上記タービンとの間に設けられ、上記燃料電池から上記排出流路に排出されるカソード排ガスの流量を調節可能な出口弁と、互いに連通可能な第１接続部と第２接続部とを有し、上記排出流路における上記出口弁と上記タービンとの間の位置に上記第１接続部が接続され、上記排出流路における上記タービンよりも下流の位置に上記第２接続部が接続されたタービンバイパス流路と、上記タービンバイパス流路における上記第１接続部と上記第２接続部との間に設けられ、上記タービンバイパス流路を流れるカソード排ガスの流量を調節可能なタービンバイパス弁と、上記燃料電池内の圧力を検知する圧力センサと、上記圧力センサが検知した情報に基づき上記出口弁の開度と上記タービンバイパス弁の開度とを制御する制御部と、を備え、上記燃料電池に対する出力要求値に応じて上記燃料電池内の目標圧力値が定められ、上記タービンは、上記タービンに供給されるエア流量と上記タービンの上流側および下流側の圧力の比である圧力比との関係である設定圧力ラインを有し、上記制御部は、上記燃料電池の上記目標圧力値が上記設定圧力ラインよりも低いときには第１制御を行ない、上記燃料電池の上記目標圧力値が上記設定圧力ラインよりも高いときには第２制御を行ない、上記制御部は、上記第２制御を行なう際には、上記タービンバイパス弁が全閉の状態で上記出口弁を全開としないようにする。

上記燃料電池システムにおいては、上記制御部は、上記目標圧力値に向けて上記燃料電池内の圧力を高くする際には、上記出口弁および上記タービンバイパス弁のうちの少なくとも一方の開度を縮小させ、上記制御部は、上記目標圧力値に向けて上記燃料電池内の圧力を低くする際には、上記出口弁および上記タービンバイパス弁のうちの少なくとも一方の開度を拡大させてもよい。

上記燃料電池システムにおいては、上記制御部は、上記タービンバイパス弁を全閉の状態で上記出口弁の開度を縮小させることによって、上記目標圧力値に向けて上記燃料電池内の圧力を高くしてもよい。

上記燃料電池システムにおいては、上記制御部は、上記出口弁を全開の状態で上記タービンバイパス弁の開度を拡大することによって、上記目標圧力値に向けて上記燃料電池内の圧力を低くしてもよい。

上記燃料電池システムは、一つのアクチュエータを備え、上記アクチュエータは、上記制御部によって駆動されることで、上記タービンバイパス弁の開度と上記出口弁の開度との双方を調節可能であってもよい。

上記燃料電池システムにおいては、一つの弁体を備え、上記弁体は、上記制御部によって駆動されることで、上記タービンバイパス弁の開度と上記出口弁の開度との双方を調節可能であってもよい。

上記構成を備えた燃料電池システムによれば、燃料電池の調圧機能を確保しつつタービンにおける動力回収効率を従来に比して向上させやすくすることが可能となる。

実施の形態１における燃料電池システム１０を模式的に示す図である。タービンに供給されるエア流量と、タービンの上流側および下流側の圧力の比である圧力比との関係を示したグラフである。第１制御および第２制御の詳細を説明するための表である。実施の形態２における出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖの構成例を示す図である。実施の形態２における出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖの構成例を示す図である。実施の形態２の変形例における出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖの構成例を示す図である。実施の形態３における出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖの構成例を示す図である。実施の形態３における出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖの構成例を示す図である。実施の形態３の変形例における出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖの構成例を示す図である。実施の形態４における出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖの構成例を示す図である。実施の形態５における出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖの構成例を示す図である。

実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。以下の説明において同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

［実施の形態１］
（燃料電池システム１０）
図１は、実施の形態１における燃料電池システム１０を模式的に示す図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１、カソードガス供給系２およびアノードガス供給系（不図示）を備える。燃料電池１は、アノードガス（水素）およびカソードガス（空気）が供給されることにより発電する。

カソードガス供給系２は、コンプレッサ３ａ、モータ３ｂ、タービン３ｃ、供給流路４、入口弁４ｖ、排出流路５、出口弁５ｖ、スタックバイパス流路６、スタックバイパス弁６ｖ、タービンバイパス流路７、タービンバイパス弁７ｖ、圧力センサ８および制御部９を備える。

カソードガスは、コンプレッサ３ａにより圧縮された状態で供給流路４に供給される。供給流路４は、燃料電池１とコンプレッサ３ａとを接続しており、燃料電池１にカソードガスを供給する。入口弁４ｖは、供給流路４における燃料電池１とコンプレッサ３ａとの間に設けられる。入口弁４ｖは、たとえば調圧弁、具体的には電磁バルブなどから構成され、燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を調節可能である。

排出流路５は、燃料電池１とタービン３ｃとを接続しており、燃料電池１からカソード排ガスを排出する。カソード排ガスはタービン３ｃに供給される。タービン３ｃはこの際、エネルギーを回収し、動力を生成する。タービン３ｃとコンプレッサ３ａとはシャフトを介して連結されている。タービン３ｃによって回収されたエネルギーは、駆動力としてコンプレッサ３ａの回転に利用される。コンプレッサ３ａは、モータ３ｂによっても回転駆動可能である。

排出流路５は、配管部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅを含む。出口弁５ｖは、排出流路５における燃料電池１とタービン３ｃの間（配管部５ａ，５ｂ間）に設けられる。出口弁５ｖは、たとえば調圧弁、具体的には電磁バルブなどから構成され、燃料電池１から排出流路５に排出されるカソード排ガスの流量を調節可能である。

スタックバイパス流路６は、互いに連通可能な接続部６ａ，６ｂを有する。接続部６ａは、供給流路４におけるコンプレッサ３ａと入口弁４ｖの間の位置に接続される。接続部６ｂは、排出流路５における出口弁５ｖとタービン３ｃとの間（配管部５ｃ，５ｄ間）の位置に接続される。

スタックバイパス流路６は、コンプレッサ３ａから吐出されたカソードガスを、燃料電池１をバイパスしてタービン３ｃに供給する。接続部６ａ，６ｂ間にスタックバイパス弁６ｖが設けられる。スタックバイパス弁６ｖはスタックバイパス流路６を流れるカソードガスの流量を調節可能である。

タービンバイパス流路７は、互いに連通可能な第１接続部７ａと第２接続部７ｂとを有する。第１接続部７ａは、排出流路５における出口弁５ｖとタービン３ｃとの間（配管部５ｂ，５ｃ間）の位置に接続される。第２接続部７ｂは排出流路５におけるタービン３ｃよりも下流の位置（配管部５ｅ）に接続される。

タービンバイパス流路７は、燃料電池１から吐出されたカソード排ガスを、タービン３ｃをバイパスして配管部５ｅに供給する。第１接続部７ａと第２接続部７ｂとの間にタービンバイパス弁７ｖが設けられる。タービンバイパス弁７ｖはタービンバイパス流路７を流れるカソード排ガスの流量を調節可能である。

圧力センサ８は配管部５ａに設けられ、燃料電池１内の圧力を検知することができる。圧力センサ８が検知した情報は制御部９に入力される。制御部９は、圧力センサ８が検知した情報に基づき、入口弁４ｖ、出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖの各々の開度を制御する。

ここで、燃料電池１内のガス流量および圧力に応じて、燃料電池１の出力（発電量）が変化する。たとえば車両に搭載されたＥＣＵは、アクセル開度などに基づいて燃料電池１に対する出力要求値を算出し、出力要求値に応じて燃料電池１内の目標流量（要求流量）および目標圧力値（要求圧力値）が定められる。

燃料電池システム１０においては、制御部９は、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を高くする際には、出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖのうちの少なくとも一方の開度を縮小させ、制御部９は、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を低くする際には、出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖのうちの少なくとも一方の開度を拡大させる。

タービンは容量を有しており、燃料電池システム１０においては固定容量式のタービン３ｃが用いられている。タービンは、カソード排ガス等の有するエネルギーを動力として回収する手段であり、調圧弁、配管および絞り等と同様に、圧力損失を発生させる。

この圧力損失は燃料電池１内の圧力にも影響する。燃料電池１内の圧力は、燃料電池１に供給されるカソードガスの流量および圧力（すなわち入口弁４ｖの開度）だけでなく、出口弁５ｖの開度、タービン３ｃの仕様（大きさおよび形状）、タービン３ｃに供給される流体の流量および圧力、ならびに、タービンバイパス弁７ｖの仕様および開度などによっても定められる。

図２は、タービンに供給されるエア流量と、タービンの上流側および下流側の圧力の比である圧力比との関係を示したグラフである。タービンは、タービンインペラを有する。所定開口径および所定流路断面積を有する流路の内側にタービンインペラが配置される。タービンのこれらの開口径などが決まると、エア流量に対する圧力比が決まる。つまり、タービンの開口径などに応じてエア流量に対する圧力比が決まる。

エア流量と圧力比との関係は、たとえば図２に示すような概ね一次直線Ｌ１で表わされ、固有の特性（仕様）としてタービンに備えられる。エア流量と圧力比との当該関係を、設定圧力ラインともいう。すなわちタービンは、タービンに供給されるエア流量とタービンの上流側および下流側の圧力の比である圧力比との関係である、設定圧力ラインを有している。設定圧力ラインは、二次曲線や他の曲線で表わされることもある。図２に示す設定圧力ライン（一次直線Ｌ１）は、出口弁５ｖを全開に設定し、タービンバイパス弁７ｖを全閉に設定した際に得られる、タービン３ｃのエア流量と圧力比との関係の一例を表している。

タービンの開口径および流路断面積は、消費電力の低減や、タービンの動力回収効率の向上ないし最大化などを意図して所定の値が算出され、設計に反映される。たとえば、エア流量ｑ１のガスがタービンに供給された際に、圧力比ｐ１がタービンの上流と下流との間に形成されるように、タービンの開口径および流路断面積などが設定される。エア流量と圧力比との関係が設定圧力ラインに近くなるような状態でタービン３ｃが使用および動作されることによって、消費電力の低減やタービンの動力回収効率の向上など、設計段階で期待された効果が得られる。

エア流量と圧力比との関係を設定圧力ラインに近付けることに関して、燃料電池１内の目標圧力値に応じてエア流量ｑｂのガスがタービン３ｃに供給されることになったとする。この場合に、所望の圧力比ｐａをタービン３ｃの上流および下流に形成するためには、（エア流量ｑｂ－エア流量ｑａ）の分のガスをタービンバイパス流路７によってタービン３ｃを迂回させる。これにより、エア流量ｑａに対応する圧力比ｐａをタービン３ｃの上流および下流に形成でき、ひいては、エア流量と圧力比との関係が設定圧力ラインにより一層近くなるような状態でタービン３ｃを使用および動作させることが可能となる。

上述のとおり、燃料電池１に対する目標流量および目標圧力値は、アクセル開度等に応じて変動する。特段の対策を施さない場合、タービンに供給されるガスの流量および圧力は、消費電力の低減やタービンの動力回収効率の向上を意図して設計された設定圧力ライン（たとえば一次直線Ｌ１）から離れやすく、結果として、消費電力の低減やタービンの動力回収効率の向上を十分に図ることができなくなる場合がある。

これに対して燃料電池システム１０においては、制御部９が、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を増減させる際に、タービンバイパス弁などの動作を制御する。具体的には制御部９は、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を高くする際には、出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖのうちの少なくとも一方の開度を縮小させ、制御部９は、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を低くする際には、出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖのうちの少なくとも一方の開度を拡大させる。この制御動作によれば、タービンにおける動力回収効率を従来に比して向上させやすくすることが可能となる。

図３を参照して、制御部９は、燃料電池１の目標圧力が設定圧力ライン（たとえば一次直線Ｌ１）よりも低いときには第１制御を行ない、燃料電池１の目標圧力が設定圧力ライン（たとえば一次直線Ｌ１）よりも高いときには第２制御を行なう。第１制御を行なう場合であっても、第２制御を行なう場合であっても、入口弁４ｖはたとえば全開に設定し、スタックバイパス弁６ｖはたとえば全閉に設定するとよい。制御部９は、第２制御を行なう際には、タービンバイパス弁７ｖが全閉の状態で出口弁５ｖを全開としないようにする。第１制御および第２制御の詳細については以下のとおりである。

第１制御においては、制御部９は、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を高くする際には、出口弁５ｖを全開の状態でタービンバイパス弁７ｖの開度を縮小するとよい。たとえば、出口弁５ｖの開度拡大をタービンバイパス弁７ｖの開度調節よりも優先して実施し、出口弁５ｖの開度が全開状態となった後に、タービンバイパス弁７ｖの開度を縮小する。これらの制御動作によれば、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を高くすること、すなわち燃料電池１の調圧機能を確保することが可能となりつつ、タービン３ｃへのガス供給量が多くなり、タービン３ｃにおける動力回収効率を得ることが可能となる。

第１制御においては、制御部９は、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を低くする際には、出口弁５ｖを全開の状態でタービンバイパス弁７ｖの開度を拡大するとよい。たとえば、出口弁５ｖの開度拡大をタービンバイパス弁７ｖの開度調節よりも優先して実施し、出口弁５ｖの開度が全開状態となった後に、タービンバイパス弁７ｖの開度を拡大する。これらの制御動作によれば、タービン３ｃへのガス供給量が少なくなるものの、タービン３ｃへのガス供給量を最大限確保しつつ、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を低くすること、すなわち燃料電池１の調圧機能を確保することが可能となりつつ、タービン３ｃにおける動力回収効率を得ることが可能となる。

第２制御においては、制御部９は、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を高くする際には、タービンバイパス弁７ｖを全閉の状態で出口弁５ｖの開度を縮小するとよい。たとえば、タービンバイパス弁７ｖの開度縮小を出口弁５ｖの開度調節よりも優先して実施し、タービンバイパス弁７ｖの開度が全閉状態となった後に、出口弁５ｖの開度を縮小する。これらの制御動作によれば、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を高くすること、すなわち燃料電池１の調圧機能を確保することが可能となりつつ、タービン３ｃへのガス供給量が多くなり、タービン３ｃにおける動力回収効率を得ることが可能となる。

第２制御においては、制御部９は、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を低くする際には、タービンバイパス弁７ｖを全閉の状態で出口弁５ｖの開度を拡大するとよい。たとえば、タービンバイパス弁７ｖの開度縮小を出口弁５ｖの開度調節よりも優先して実施し、タービンバイパス弁７ｖの開度が全閉状態となった後に、出口弁５ｖの開度を拡大する。これらの制御動作によれば、目標圧力値に向けて燃料電池１内の圧力を低くすること、すなわち燃料電池１の調圧機能を確保することが可能となりつつ、タービン３ｃへのガス供給量が多くなり、タービン３ｃにおける動力回収効率を得ることが可能となる。

なお、燃料電池システム１０の停止時には、入口弁４ｖおよび出口弁５ｖはいずれも全閉に設定され、スタックバイパス弁６ｖおよびタービンバイパス弁７ｖはいずれも任意の開度（たとえば全開）に設定されるとよい。入口弁４ｖおよび出口弁５ｖがいずれも全閉に設定されていることにより、燃料電池１へのガスの供給および排出は制限される。

［実施の形態２］
上述の実施の形態１（図１）では、出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖが相互に離間して配置される。制御部９は、出口弁５ｖおよびタービンバイパス弁７ｖをそれぞれ独立して駆動することができる。

図４に示す構成においては、ハウジング１１が１つの弁体１２を収容している。ハウジング１１のうちの弁体１２を収容している空間には、燃料電池１（図１。以下同じ）に連通する配管部５ａと、タービン３ｃに連通する配管部５ｃと、配管部５ｅに連通する第２接続部７ｂとが接続されている。

弁体１２は、半円の断面形状を有し、シャフト１３により軸支されている。アクチュエータ１４がシャフト１３を回転させることによって、弁体１２はハウジング１１内で回転する。弁体１２が収容されている空間と配管部５ａとの間で出口弁５ｖが構成されており、同空間と第２接続部７ｂとの間でタービンバイパス弁７ｖが構成されている。

図４および図５に示すように、アクチュエータ１４は、制御部９（図１）によって駆動されることで、タービンバイパス弁７ｖの開度と出口弁５ｖの開度との双方を調節可能である。図４に示される状態では、タービンバイパス弁７ｖが全閉に設定されながら、配管部５ａから配管部５ｃおよびタービン３ｃ（図１）に流れるカソード排ガスの流量が出口弁５ｖによって調節されている。

図５に示される状態では、配管部５ａが全開に設定されながら、配管部５ａから第２接続部７ｂおよび配管部５ｅ（図１）に流れるカソード排ガスの流量がタービンバイパス弁７ｖによって調節されている。１つの弁体１２が制御部９（図１）によって駆動されることで出口弁５ｖの開度およびタービンバイパス弁７ｖの開度の双方が調節可能であり、制御上の簡素化を図れる。また、１つのアクチュエータ１４で出口弁５ｖの開度およびタービンバイパス弁７ｖの開度の双方が調節可能であり、構成上の簡素化も図れる。

（変形例）
図６に示すようなボールバルブにて上述のような制御動作が実現されてもよい。図４，図５では、弁体１２は半円の断面形状を有し、各配管は約６０°の角度間隔を有してハウジング１１に設けられている。図６に示す構成例では、各配管が約９０°の角度間隔を有してハウジング１１に設けられており、弁体１２は内角が約１２０°である略扇形状を有している。当該構成によっても同様の機能を実現可能である。

［実施の形態３］
図７および図８に示す構成においては、ハウジング１１がレバー状の弁体１２を収容している。ハウジング１１のうちの弁体１２を収容している空間には、燃料電池１（図１）に連通する配管部５ａと、タービン３ｃに連通する配管部５ｃと、配管部５ｅに連通する第２接続部７ｂとが接続されている。

弁体１２は、円弧状に延びる形状を有し、シャフト１３により軸支されている。アクチュエータ１４がシャフト１３を回転させることによって、弁体１２はハウジング１１内で周方向に沿って移動する。弁体１２が収容されている空間と配管部５ａとの間で出口弁５ｖが構成されており、同空間と第２接続部７ｂとの間でタービンバイパス弁７ｖが構成されている。

アクチュエータ１４は、制御部９（図１）によって駆動されることで、タービンバイパス弁７ｖの開度と出口弁５ｖの開度との双方を調節可能である。図７に示される状態では、タービンバイパス弁７ｖが全閉に設定されながら、配管部５ａから配管部５ｃおよびタービン３ｃ（図１）に流れるカソード排ガスの流量が出口弁５ｖによって調節されている。

図８に示される状態では、配管部５ａが全開に設定されながら、配管部５ａから第２接続部７ｂおよび配管部５ｅ（図１）に流れるカソード排ガスの流量がタービンバイパス弁７ｖによって調節されている。１つの弁体１２が制御部９（図１）によって駆動されることで出口弁５ｖの開度およびタービンバイパス弁７ｖの開度の双方が調節可能であり、制御上の簡素化を図れる。また、１つのアクチュエータ１４で出口弁５ｖの開度およびタービンバイパス弁７ｖの開度の双方が調節可能であり、構成上の簡素化も図れる。

（変形例）
図９に示すような板状の弁体１２にて上述のような制御動作が実現されてもよい。図７，図８では、弁体１２の周方向に延びる外周面によってタービンバイパス弁７ｖの開度が調節される。図６に示す板状の弁体１２ではそのような調節はできないものの、弁体１２とタービンバイパス弁７ｖ側の配管（第２接続部７ｂ）との間の間隔を調節することによって略同様の機能を実現可能である。

［実施の形態４］
図１０を参照して、上述のような機能と同様な機能が、直動弁の構造を有する弁体１２によって実現されてもよい。アクチュエータ１４は、複数のギヤなどを介してシャフト１３に駆動連結されており、シャフト１３に螺合しているギヤの作用によってシャフト１３を軸方向に往復移動させることができる。

弁体１２と出口弁５ｖ（配管部５ａ）との間の間隔を調節することによって、これらの間を通過するカソード排ガスの流量を調節可能となる。また、弁体１２とタービンバイパス弁７ｖ側の配管（第２接続部７ｂ）との間の間隔を調節することによって、これらの間を通過するカソード排ガスの流量を調節可能となる。

［実施の形態５］
図１１を参照して、上述のような機能と同様な機能が、２つの弁体１２ａ，１２ｂによって実現されてもよい。弁体１２ａは、回転式のバタフライバルブであり、タービンバイパス弁７ｖの開度を調節できる。弁体１２ｂは、直動弁の構造を有しており、出口弁５ｖの開度を調節できる。

アクチュエータ１４は、弁体１２ａに連結されているとともに、雌ネジが形成されたシャフト１３ａと雄ネジが形成されたシャフト１３ｂとを介して弁体１２ｂに連結されている。シャフト１３ａ，１３ｂが相互に螺合していることによって、アクチュエータ１４の回転によってシャフト１３ｂおよび弁体１２ｂを軸方向に往復移動させることができる。

弁体１２ｂと出口弁５ｖ（配管部５ａ）との間の間隔を調節することによって、これらの間を通過するカソード排ガスの流量を調節可能となる。また、弁体１２ａの姿勢を調節することによって、タービンバイパス弁７ｖを通過するカソード排ガスの流量を調節可能となる。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１燃料電池、２カソードガス供給系、３ａコンプレッサ、３ｂモータ、３ｃタービン、４供給流路、４ｖ入口弁、５排出流路、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ配管部、５ｖ出口弁、６スタックバイパス流路、６ａ，６ｂ接続部、６ｖスタックバイパス弁、７ａ第１接続部、７ｂ第２接続部、７タービンバイパス流路、７ｖタービンバイパス弁、８圧力センサ、９制御部、１０燃料電池システム、１１ハウジング、１２，１２ａ，１２ｂ弁体、１３，１３ａ，１３ｂシャフト、１４アクチュエータ、Ｌ１設定圧力ライン（一次直線）、ｐ１，ｐａ圧力比、ｑ１，ｑａ，ｑｂエア流量。

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池にカソードガスを供給する供給流路と、
前記燃料電池からカソード排ガスを排出する排出流路と、
前記排出流路からのカソード排ガスが供給されて動力を生成するタービンと、
前記排出流路における前記燃料電池と前記タービンとの間に設けられ、前記燃料電池から前記排出流路に排出されるカソード排ガスの流量を調節可能な出口弁と、
互いに連通可能な第１接続部と第２接続部とを有し、前記排出流路における前記出口弁と前記タービンとの間の位置に前記第１接続部が接続され、前記排出流路における前記タービンよりも下流の位置に前記第２接続部が接続されたタービンバイパス流路と、
前記タービンバイパス流路における前記第１接続部と前記第２接続部との間に設けられ、前記タービンバイパス流路を流れるカソード排ガスの流量を調節可能なタービンバイパス弁と、
前記燃料電池内の圧力を検知する圧力センサと、
前記圧力センサが検知した情報に基づき前記出口弁の開度と前記タービンバイパス弁の開度とを制御する制御部と、を備え、
前記燃料電池に対する出力要求値に応じて前記燃料電池内の目標圧力値が定められ、
前記タービンは、前記タービンに供給されるエア流量と前記タービンの上流側および下流側の圧力の比である圧力比との関係である設定圧力ラインを有し、
前記制御部は、前記燃料電池の前記目標圧力値が前記設定圧力ラインよりも低いときには、前記出口弁の開度拡大を前記タービンバイパス弁の開度調節よりも優先して実施する第１制御を行ない、前記燃料電池の前記目標圧力値が前記設定圧力ラインよりも高いときには、前記タービンバイパス弁の開度縮小を前記出口弁の開度調節よりも優先して実施する第２制御を行ない、
前記制御部は、前記第２制御を行なう際には、前記タービンバイパス弁が全閉の状態で前記出口弁を全開としないようにする、
燃料電池システム。
前記制御部は、
前記第１制御において前記目標圧力値に向けて前記燃料電池内の圧力を高くする際には、前記タービンバイパス弁の開度を縮小させ、
前記第２制御において前記目標圧力値に向けて前記燃料電池内の圧力を高くする際には、前記出口弁の開度を縮小させ、
前記第１制御において前記目標圧力値に向けて前記燃料電池内の圧力を低くする際には、前記タービンバイパス弁の開度を拡大させ、
前記第２制御において前記目標圧力値に向けて前記燃料電池内の圧力を低くする際には、前記出口弁の開度を拡大させる、
請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御部は、前記第２制御において、前記タービンバイパス弁を全閉の状態で前記出口弁の開度を縮小させることによって、前記目標圧力値に向けて前記燃料電池内の圧力を高くする、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記制御部は、前記第１制御において、前記出口弁を全開の状態で前記タービンバイパス弁の開度を拡大することによって、前記目標圧力値に向けて前記燃料電池内の圧力を低くする、
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
一つのアクチュエータを備え、
前記アクチュエータは、前記制御部によって駆動されることで、前記タービンバイパス弁の開度と前記出口弁の開度との双方を調節可能である、
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
一つの弁体を備え、
前記弁体は、前記制御部によって駆動されることで、前記タービンバイパス弁の開度と前記出口弁の開度との双方を調節可能である、
請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。